大口径折反式星敏感器光学系统的光路设计
发布时间：2021-04-15 16:25
为提高星敏感器探测极限星等的能力,采用改进型卡塞格林系统、光阑校正球面透镜组和视场校正球面透镜组相结合的结构,设计了一种光谱范围为450～950nm、半视场为1.4°、入瞳直径为250mm、焦距为425mm,且能够矫正像散、场曲和畸变的大口径折反式星敏感器光学系统.基于像差理论的系统初始结构参数计算和Zemax软件光线追迹的优化设计,光学系统的次镜遮拦比为0.43,成像点80%的能量集中在30μm内,最大畸变为0.081%,光学传递函数在奈奎斯特频率34lp/mm处大于0.75,最大倍率色差为1.138μm,满足星敏感器对成像的要求.对光学系统进行公差分析,在20次蒙特卡罗分析结果中,第13个结构的绩效函数最好,为4.975 16μm,第20个结构的绩效函数最差,达到7.799 57μm.通过对20次蒙特卡罗结构的绩效函数分析,所选定的公差值能够很好地满足光学系统性能基本要求,为加工和安装过程中的误差提供依据.
【文章来源】：光子学报. 2020,49(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
e12和e22随β的变化曲线
图1 e12和e22随β的变化曲线由于所设计的星敏感器光学系统口径较大，初始光学系统在优化过程中可设置的有限可变参数造成畸变等像差不能够得到完全的校正，从而达不到成像质量的要求．因此，考虑在R-C系统的次镜M2前加入一对正负球面透镜（C1、C2）作为光阑校正球面透镜组来矫正光学系统的像散、场曲和畸变，在R-C系统的次镜M2与像面之间加入一组同轴球面透镜（C3、C4、C5）作为视场校正球面透镜组来扩大光学系统的视场，同时利用正负透镜相结合的方法来减小C1～C5各球面补偿透镜所引入的色差．像面前未加入CCD探测器的盖板玻璃，主要原因是盖板玻璃对于光学系统的影响主要体现在CCD探测器焦面的大小和盖板玻璃的厚度，当焦面较大、盖板玻璃较厚时通常要考虑其对像质的影响，而焦面较小且盖板玻璃较薄时，通常不会考虑盖板玻璃对于光学系统的影响．本文选择的CCD探测器的盖板玻璃较薄，约1mm，它对能量系统的影响主要是对离焦的影响，而对像质的影响很小，所以没有考虑盖板玻璃对于光学系统像质的影响．设计的星敏感器光学系统的光路如图2(b）所示．将初始结构参数，如主镜的顶点半径R1=250 mm、次镜的顶点半径R2=107.5mm、主镜面型参数e12=1.060 4、次镜面型参数e22=2.524 1和主、次镜初始间距l=140mm置入光学设计软件Zemax，通过Zemax软件的操作数对光学系统结构进行优化设计，最终达到成像质量的要求．其中Zemax软件根据入瞳直径250mm的设定确定各个透镜及反射镜的直径d，采用EFFL操作数控制光学系统整体焦距达到425mm，采用TTHI操作数控制C1～C5五个球面镜和M1、M2两个反射镜的通光面曲率半径rij、厚度T以及相邻两个球面镜的空气间隔L；采用操作数AXCL控制光学系统整体的倍率色差．主镜M1为空心反射镜，空心直径与C3、C4、C5的直径一致．次镜M2为实心反射镜，镶嵌在C2右侧的光线出射面上，M2的通光面曲率半径均与C2的光线出射面曲率半径一致，镶嵌深度与M2的厚度一致．优化设计后的星敏感器光学系统各透镜参数如表2所示，所设计的系统总长为339mm，质量为1.45kg．表3给出了国内外不同型号的星敏感器的指标[24]，能够看出，相较于国内外大多数星敏感器，本文设计的星敏感器在探测星等和质量等技术指标上都有一定的提高．
星敏感器光学系统的成像质量评价标准包括点列图、畸变曲线、能量集中度曲线、倍率色差曲线等．在450～950nm光谱范围内，0.0°中心视场、0.7°视场、1°视场、1.2°视场、1.4°视场的点列图如图3所示，各视场的弥散斑圆度很好，弥散斑大小比较均匀．各视场弥散圆的直径大小和能量中心偏移量如表4所示，弥散斑的直径随着视场角的增加而增大，0.0°中心视场的弥散斑直径始终小于其它各视场的弥散斑直径．1.4°视场的弥散斑直径最大，达到15.03μm.0.7°视场和1°视场的能量中心偏移量最大，分别为0.039μm和0.027μm，完全满足能量中心偏移量小于0.43μm的指标．星敏感器光学系统的相对畸变曲线如图4所示，相对畸变越小，越有利于提高星敏感器的测量精度．通过优化设计，从-1.4°至+1.4°的全视场范围内的最大相对畸变为0.081%，完全满足相对畸变小于0.1%的设计指标．图5表示星敏感器光学系统的倍率色差曲线，图5(a）代表各视场短波和长波之间的倍率色差曲线，图5(b）代表不同波长与中心波长之间的倍率色差曲线，表5分别给出了短波-长波、短波-中心波长和长波-中心波长的倍率色差值．从结果可以看出，最大倍率色差为1.138μm，完全满足倍率色差小于2μm的设计指标．图6为光学传递函数（Modulation Transfer Function,MTF）曲线，在奈奎斯特频率34lp/mm处的MTF大于0.75，满足MTF大于0.5的设计指标．图7为能量集中度曲线，从图中能够看出，能量分布更为均匀，能量集中度的分布情况理想，能量集中度在80%以上的弥散斑直径均在15μm以内，同时弥散斑直径在30μm以内的能量集中度均超过95%，因此较小的弥散斑直径能够精准地补偿加工公差．
【参考文献】：
期刊论文
[1]大相对孔径宽光谱星敏感器光学镜头设计[J]. 孟祥月,王洋,张磊,付跃刚,顾志远. 红外与激光工程. 2019(07)
[2]一种星敏感器光机系统结构设计与杂光分析[J]. 赵雨时,付跃刚,欧阳名钊,王加科. 长春理工大学学报(自然科学版). 2016(05)
[3]折反式大口径星敏感器光学设计及杂散光分析[J]. 薛庆生. 光学学报. 2016(02)
[4]紫外星敏感器光学系统设计及其鬼像分析[J]. 朱杨,张新,伍雁雄,张建萍,史广维,王灵杰. 红外与激光工程. 2016(01)
[5]大视场宽谱段星敏感器光学系统设计[J]. 郭彦池,徐熙平,乔杨,米士隆,杜玉楠. 红外与激光工程. 2014(12)
[6]含有非球面的宽波段大相对孔径星敏感器光学系统设计[J]. 巩盾,田铁印,王红. 光学学报. 2013(08)
[7]折反式大口径、大视场、宽光谱光学系统[J]. 明名,杨飞,赵金宇,张丽敏,吴小霞. 红外与激光工程. 2012(01)
[8]全天时星敏感器光学系统设计参数选择[J]. 樊巧云,李小娟. 光学学报. 2011(11)
[9]基于高斯分布的星像点精确模拟及质心计算[J]. 王海涌,费峥红,王新龙. 光学精密工程. 2009(07)
[10]基于CMOS APS的星敏感器光学系统结构设计与优化[J]. 何灵娜,崔维鑫,裴云天. 光电工程. 2007(11)
硕士论文
[1]折反式大视场星敏感器光学系统的设计[D]. 吴峰.苏州大学 2004
本文编号：3139681
【文章来源】：光子学报. 2020,49(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
e12和e22随β的变化曲线
图1 e12和e22随β的变化曲线由于所设计的星敏感器光学系统口径较大，初始光学系统在优化过程中可设置的有限可变参数造成畸变等像差不能够得到完全的校正，从而达不到成像质量的要求．因此，考虑在R-C系统的次镜M2前加入一对正负球面透镜（C1、C2）作为光阑校正球面透镜组来矫正光学系统的像散、场曲和畸变，在R-C系统的次镜M2与像面之间加入一组同轴球面透镜（C3、C4、C5）作为视场校正球面透镜组来扩大光学系统的视场，同时利用正负透镜相结合的方法来减小C1～C5各球面补偿透镜所引入的色差．像面前未加入CCD探测器的盖板玻璃，主要原因是盖板玻璃对于光学系统的影响主要体现在CCD探测器焦面的大小和盖板玻璃的厚度，当焦面较大、盖板玻璃较厚时通常要考虑其对像质的影响，而焦面较小且盖板玻璃较薄时，通常不会考虑盖板玻璃对于光学系统的影响．本文选择的CCD探测器的盖板玻璃较薄，约1mm，它对能量系统的影响主要是对离焦的影响，而对像质的影响很小，所以没有考虑盖板玻璃对于光学系统像质的影响．设计的星敏感器光学系统的光路如图2(b）所示．将初始结构参数，如主镜的顶点半径R1=250 mm、次镜的顶点半径R2=107.5mm、主镜面型参数e12=1.060 4、次镜面型参数e22=2.524 1和主、次镜初始间距l=140mm置入光学设计软件Zemax，通过Zemax软件的操作数对光学系统结构进行优化设计，最终达到成像质量的要求．其中Zemax软件根据入瞳直径250mm的设定确定各个透镜及反射镜的直径d，采用EFFL操作数控制光学系统整体焦距达到425mm，采用TTHI操作数控制C1～C5五个球面镜和M1、M2两个反射镜的通光面曲率半径rij、厚度T以及相邻两个球面镜的空气间隔L；采用操作数AXCL控制光学系统整体的倍率色差．主镜M1为空心反射镜，空心直径与C3、C4、C5的直径一致．次镜M2为实心反射镜，镶嵌在C2右侧的光线出射面上，M2的通光面曲率半径均与C2的光线出射面曲率半径一致，镶嵌深度与M2的厚度一致．优化设计后的星敏感器光学系统各透镜参数如表2所示，所设计的系统总长为339mm，质量为1.45kg．表3给出了国内外不同型号的星敏感器的指标[24]，能够看出，相较于国内外大多数星敏感器，本文设计的星敏感器在探测星等和质量等技术指标上都有一定的提高．
星敏感器光学系统的成像质量评价标准包括点列图、畸变曲线、能量集中度曲线、倍率色差曲线等．在450～950nm光谱范围内，0.0°中心视场、0.7°视场、1°视场、1.2°视场、1.4°视场的点列图如图3所示，各视场的弥散斑圆度很好，弥散斑大小比较均匀．各视场弥散圆的直径大小和能量中心偏移量如表4所示，弥散斑的直径随着视场角的增加而增大，0.0°中心视场的弥散斑直径始终小于其它各视场的弥散斑直径．1.4°视场的弥散斑直径最大，达到15.03μm.0.7°视场和1°视场的能量中心偏移量最大，分别为0.039μm和0.027μm，完全满足能量中心偏移量小于0.43μm的指标．星敏感器光学系统的相对畸变曲线如图4所示，相对畸变越小，越有利于提高星敏感器的测量精度．通过优化设计，从-1.4°至+1.4°的全视场范围内的最大相对畸变为0.081%，完全满足相对畸变小于0.1%的设计指标．图5表示星敏感器光学系统的倍率色差曲线，图5(a）代表各视场短波和长波之间的倍率色差曲线，图5(b）代表不同波长与中心波长之间的倍率色差曲线，表5分别给出了短波-长波、短波-中心波长和长波-中心波长的倍率色差值．从结果可以看出，最大倍率色差为1.138μm，完全满足倍率色差小于2μm的设计指标．图6为光学传递函数（Modulation Transfer Function,MTF）曲线，在奈奎斯特频率34lp/mm处的MTF大于0.75，满足MTF大于0.5的设计指标．图7为能量集中度曲线，从图中能够看出，能量分布更为均匀，能量集中度的分布情况理想，能量集中度在80%以上的弥散斑直径均在15μm以内，同时弥散斑直径在30μm以内的能量集中度均超过95%，因此较小的弥散斑直径能够精准地补偿加工公差．
【参考文献】：
期刊论文
[1]大相对孔径宽光谱星敏感器光学镜头设计[J]. 孟祥月,王洋,张磊,付跃刚,顾志远. 红外与激光工程. 2019(07)
[2]一种星敏感器光机系统结构设计与杂光分析[J]. 赵雨时,付跃刚,欧阳名钊,王加科. 长春理工大学学报(自然科学版). 2016(05)
[3]折反式大口径星敏感器光学设计及杂散光分析[J]. 薛庆生. 光学学报. 2016(02)
[4]紫外星敏感器光学系统设计及其鬼像分析[J]. 朱杨,张新,伍雁雄,张建萍,史广维,王灵杰. 红外与激光工程. 2016(01)
[5]大视场宽谱段星敏感器光学系统设计[J]. 郭彦池,徐熙平,乔杨,米士隆,杜玉楠. 红外与激光工程. 2014(12)
[6]含有非球面的宽波段大相对孔径星敏感器光学系统设计[J]. 巩盾,田铁印,王红. 光学学报. 2013(08)
[7]折反式大口径、大视场、宽光谱光学系统[J]. 明名,杨飞,赵金宇,张丽敏,吴小霞. 红外与激光工程. 2012(01)
[8]全天时星敏感器光学系统设计参数选择[J]. 樊巧云,李小娟. 光学学报. 2011(11)
[9]基于高斯分布的星像点精确模拟及质心计算[J]. 王海涌,费峥红,王新龙. 光学精密工程. 2009(07)
[10]基于CMOS APS的星敏感器光学系统结构设计与优化[J]. 何灵娜,崔维鑫,裴云天. 光电工程. 2007(11)
硕士论文
[1]折反式大视场星敏感器光学系统的设计[D]. 吴峰.苏州大学 2004
本文编号：3139681
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